Badanie diody półprzewodnikowej
Symulacja komputerowa PSPICE 9.1
www.pspice.com
1. Wyznaczanie charakterystyki statycznej diody spolaryzowanej w
kierunku przewodzenia
Rysunek nr 1. Układ do wyznaczania charakterystyki statycznej diody 1N4002
spolaryzowanej w kierunku przewodzenia.
-
Zbuduj układ wg schematu na rysunku nr 1.
-
Wyznacz warto
ść
pr
ą
du dla napi
ę
cia U
F
= 0.9 V, nast
ę
puj
ą
cych diod:
•
D1N4002
•
D1N4148
•
D1N914
-
Podaj co nale
ż
y zrobi
ć
, aby ograniczy
ć
pr
ą
d płyn
ą
cy przez diod
ę
D1 na
rysunku nr 1.
-
* Podaj maksymalny pr
ą
d przewodzenia dla diod:
•
D1N4002
•
D1N4148
•
D1N914
1.1 Wyznaczanie napi
ę
cia progowego U
(TO)
Dla napi
ęć
mniejszych od napi
ę
cia progowego U
(TO)
pr
ą
d przewodzenia diody
posiada pomijalnie mał
ą
warto
ść
. Praktycznie mo
ż
emy uwa
ż
a
ć
,
ż
e dioda
przewodzi dopiero po spolaryzowaniu jej w kierunku przewodzenia napi
ę
ciem
wi
ę
kszym od U
(TO)
.
Kolejno
ść
post
ę
powania:
1. Rysujemy charakterystyk
ę
statyczn
ą
(schemat na rysunku nr 1) .
2. Wybieramy odpowiedni zakres charakterystyki. W tym celu wydajemy
polecenia:
Plot
→
Axis Setting
→
X Axis
→
Data Range
→
User Defined, wpisujemy:
0.5V to 0.9V i klikamy 0K;
Nast
ę
pnie klikamy kolejno: Plot
→
Axis Setting
→
Y Axis
→
Data Range
→
User Defined, wpisujemy: 0 to 100mA i klikamy 0K.
3. Dla wybranej warto
ś
ci pr
ą
du przewodzenia I
F
, np. 50 mA, rysujemy lini
ę
prost
ą
na poziomie I
F
= 50 mA. W celu narysowania linii prostej na poziomie 50 mA
klikamy kolejno: Trace
→
Add Trace, nast
ę
pnie w okienku dialogowym
wpisujemy 50mA i klikamy OK. Pojawia si
ę
pozioma linia prosta.
4. W punkcie przeci
ę
cia prostej poziomej z charakterystyka rysujemy styczn
ą
do
charakterystyki (polecenia: Plot
→
Label
→
Line, a nast
ę
pnie klikamy na
pocz
ą
tku i na ko
ń
cu linii). W momencie pokrycia si
ę
rysowanej linii z
fragmentem charakterystyki ten fragment charakterystyki staje si
ę
niewidoczny, czyli styczna tak wła
ś
nie powinna by
ć
narysowana.
5. Zaznaczamy punkt przeci
ę
cia stycznej z osi
ą
napi
ę
cia i odczytujemy warto
ść
napi
ę
cia progowego. W tym celu klikamy przeł
ą
cznik Toggle cursor.
Pojawia si
ę
okienko kursorów Probe Cursor. Klikamy lewym klawiszem i
przesuwamy kursor do punktu przeci
ę
cia stycznej z osi
ą
napi
ę
cia (lub
mo
ż
liwie blisko tego punktu) i w okienku kursorów odczytujemy warto
ść
napi
ę
cia progowego. Przy zało
ż
eniu, ze pr
ą
d przewodzenia diody w punkcie
pracy wynosi 50 mA, to warto
ść
napi
ę
cia progowego U
(TO)
wynosi 728 mV,
czyli okoto 0.7 V
Zadanie
-
Przy zało
ż
eniu,
ż
e pr
ą
d przewodzenia diody w punkcie pracy wynosi 50 mA,
odczyta
ć
warto
ść
napi
ę
cia progowego U
(TO)
.
-
Przy zało
ż
eniu,
ż
e napi
ę
cie U
F
= 500mV wyznaczy
ć
I
F
.
1.2 Rezystancja diody
W diodach, podobnie jak w innych elementach półprzewodnikowych, rozró
ż
niamy
dwa rodzaje rezystancji: rezystancj
ę
statyczn
ą
oznaczamy du
żą
liter
ą
R i rezystancj
ę
dynamiczn
ą
oznaczmy mał
ą
liter
ą
r. Interpretacj
ą
graficzn
ą
rezystancji statycznej jest
k
ą
t nachylenia siecznej(linii ł
ą
cz
ą
cej pocz
ą
tek układu współrz
ę
dnych z wybranym
punktem na charakterystyce), co ilustruje rysunek :
Rysunek nr 2. Wyznaczanie rezystancji statycznej
1.2.1. Wyznaczanie rezystancji statycznej diody spolaryzowanej w kierunku
przewodzenia
Rezystancja statyczna elementu nieliniowego w dowolnym punkcie jest równa
stosunkowi napi
ę
cia do nat
ęż
enia pr
ą
du w tym punkcie.
Zadanie
-
Wyznaczy
ć
warto
ść
rezystancji statycznej dla napi
ęć
:
•
U
F
= 900 mV
•
U
F
= 0.5 V
•
U
F
= U
(TO)
2.
Polaryzacja diody w kierunku wstecznym (zaporowym, zatkania)
Rysunek nr 3. Układ do wyznaczania charakterystyki diody spolaryzowanej w
kierunku wstecznym.
Na charakterystyce dla napi
ęć
wi
ę
kszych od koło 100 V nast
ę
puje gwałtowny wzrost
pr
ą
du. Poniewa
ż
diody konwencjonalne nie s
ą
przystosowane do pracy w obszarze
przebicia, to katalogowe dopuszczalne napi
ę
cie wsteczne wynosi:
U
RRM
< 0.8U
(BR)
(1)
gdzie U
(BR)
– napi
ę
cie przebicia
W celu wyznaczenia napi
ę
cia przebicia rysujemy fragment charakterystyki w pobli
ż
u
napi
ę
cia równego –100V i rysujemy styczn
ą
do wykresu w obszarze przebicia. Punkt
przeci
ę
cia z osi
ą
napi
ę
cia wyznacza warto
ść
napi
ę
ci przebicia. Sposób
post
ę
powania jest identyczny jak w przypadku wyznaczania napi
ę
cia progowego.
Zadanie
-
Wyznaczy
ć
warto
ść
U
(BR)
i U
(RRM)
.
-
Na podstawie fragmentu charakterystyki diody spolaryzowanej w kierunku
wstecznym wyznaczy
ć
rezystancj
ę
statyczn
ą
dla napi
ę
cia:
•
U
R
= 99V
•
U
R
= U
(BR)
!!!
Ć
wiczenia od 1 – 2 przeprowadzi
ć
obliczenia dla diod:
-
D1N4002
-
D1N4148
-
D1N914
3.
Dioda Zenera
Przy rysowaniu charakterystyki statycznej diody Zenera obowi
ą
zuje nast
ę
puj
ą
ca
kolejno
ść
post
ę
powania:
-
Rysujemy schemat wg rysunku nr 4.
-
Deklarujemy warto
ść
napi
ę
cia
ź
ródła V1, np. DC=5V
-
Zapisujemy schemat.
-
Klikamy przycisk Setup Analysis. Otwiera si
ę
okno dialogowa, w którym
klikamy DC Sweep... Pojawia si
ę
okno DC Sweep, w którym zaznaczamy
Voltage Source i Linear, wpisujemy w polu Name: V1 i deklarujemy V1 od 0
do –6V z krokiem co 0.01, a nast
ę
pnie klikamy OK. Uruchamiamy analiz
ę
.
Rysunek nr 4. Układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera D1N750
spolaryzowanej w kierunku wstecznym.
Charakterystyka statyczna diody Zenera spolaryzowanej w kierunku
przewodzenia ma identyczny kształt jak charakterystyka diody konwencjonalnej.
Diody Zenera przystosowane s
ą
do pracy w obszarze przebicia i dlatego wa
ż
nym
parametrem diody Zenera jest napi
ę
cie Zenera, oznaczone w katalogach przez U
Z
.
Przybli
ż
on
ą
warto
ść
napi
ę
cia Zenera wyznaczamy identycznie jak napi
ę
cie przebicia
diod konwencjonalnych.
Zadanie
-
Na podstawie otrzymanej charakterystyki podaj napi
ę
cie Zenera diody
D1N750
-
* Porównaj warto
ść
U
Z
otrzyman
ą
z warto
ś
ci
ą
U
Z
katalogow
ą
diody
Zenera D1N750.
-
* Sprawd
ź
, jaki pr
ą
d płyn
ą
łby przez diod
ę
spolaryzowan
ą
w kierunku.
przewodzenia napi
ę
ciem +5V, oblicz moc tracon
ą
na diodzie i
zaproponuj sposób ograniczenia pr
ą
du płyn
ą
cego w tym obwodzie.
3.2.
Parametry diody Zenera
3.2.1. Rezystancja dynamiczna diody Zenera
Wa
ż
nym parametrem diody Zenera jest rezystancja dynamiczna w obszarze
przebicia r
z
. Podawana jest ona dla konkretnej warto
ś
ci pr
ą
du I
z
i dla okre
ś
lonej
temperatury. W układach pomiarowych dioda Zenera zasilana jest z dwóch
ź
ródeł
napi
ę
cia: stałego, wytwarzaj
ą
cego pr
ą
d stały I
z
oraz zmiennego o niskiej
cz
ę
stotliwo
ś
ci, np. 1 kHz. W układzie symulacyjnym mo
ż
emy do tego celu
wykorzysta
ć
ź
ródło napi
ę
cia sinusoidalnego VSIN.
W układzie symulacyjnym zasilanym napi
ę
ciem stałym rezystancj
ę
dynamiczn
ą
mo
ż
emy wyznaczy
ć
ze stosunku przyrostu napi
ę
cia w obszarze
przebicia do odpowiadaj
ą
cego mu przyrostu pr
ą
du:
r
z
=
∆
U
R
∆
I
R
(2)
Kolejno
ść
post
ę
powania:
1. Klikamy przycisk Setup Analysis. Otwiera si
ę
okno dialogowe, w którym
klikamy DC Sweep.... Pojawia si
ę
okno DC Sweep, w którym zaznaczamy
Voltage Source, wpisujemy w polu Name: V1, zaznaczamy: Linear
i deklarujemy V1 od -4.4 do -5V z krokiem co 0.01, a nast
ę
pnie klikamy
OK.
2. Uruchamiamy analiz
ę
, klikaj
ą
c przycisk Simulate
3. Klikamy przeł
ą
cznik Toggle cursor. Pojawia si
ę
okienko kursorów
Probe Cursor Lewym klawiszem myszy umieszczamy pierwszy kursor w
punkcie 1, za
ś
prawym klawiszem myszy umieszczamy drugi kursor w
punkcie 2.
4. W okienku kursorów odczytujemy przyrosty napi
ę
cia i pr
ą
du pomi
ę
dzy
punktami 1 i 2.
5. Na podstawie wzoru obliczamy rezystancj
ę
dynamiczn
ą
.
Zadanie
-
Na podstawie wzoru (2) obliczy
ć
rezystancj
ę
dynamiczn
ą
.
3.1.1a Charakterystyka zale
ż
no
ś
ci rezystancji dynamicznej od napi
ę
cia
W celu narysowania wył
ą
cznie zale
ż
no
ś
ci rezystancji dynamicznej od napi
ę
cia:
1. Usuwamy ze schematu rysunek nr 3 marker pr
ą
du lub usuwamy
dotychczasowy wykres w programie Probe. W tym celu zaznaczamy ten
wykres i wykorzystujemy klawisz Delete. W przypadku kilku wykresów
wybieramy wykres do usuni
ę
cia jako bie
żą
cy i w menu Plot zaznaczamy
Delete i Plot.
2. Deklarujemy zakres zmian napi
ę
cia V1 od -4.9 V do -4.7 V i uruchamiamy
symulacje. Zwró
ć
uwag
ę
na obowi
ą
zuj
ą
c
ą
kolejno
ść
deklarowania zakresu im
napi
ęć
ujemnych.
3. W programie Probe wykonujemy nast
ę
puj
ą
ce polecenia: Trade
→
→
→
→
Add..., a
nast
ę
pnie w okienku dialogowym Trace Expression wpisujemy: D(V1(D1))/
D(I(D1)) i klikamy OK.
W celu odczytania warto
ś
ci rezystancji dynamicznej dla okre
ś
lonej warto
ś
ci i
pi
ę
cia wykonujemy nast
ę
puj
ą
ce czynno
ś
ci:
1. Uaktywniamy okienko Probe Cursor, klikaj
ą
c przeł
ą
cznik Toggle cursor
2. Klikamy na wykresie wybran
ą
warto
ść
napi
ę
cia, np. -4.8 V.
3. W okienku Probe Cursor odczytujemy warto
ść
rezystancji dynamicznej.
Analogicznie post
ę
powanie pozwoli nam na odczytanie warto
ś
ci rezystancji i
dynamicznej dla dowolnej innej warto
ś
ci napi
ę
cia.
6. Obliczanie temperaturowego współczynnika napi
ę
cia
Kolejnym wa
ż
nym parametrem diod Zenera jest temperaturowy współczynnik
napi
ę
cia, który mo
ż
e mie
ć
warto
ś
ci ujemne (w diodach niskonapi
ę
ciowych na
napi
ę
cia Zenera do kilku wolto w), dodatnie (dla diod Zenera na napi
ę
cia wy
ż
sze
od 6 V) oraz bliskie zeru dla diod Zenera na napi
ę
cia z przedziału od 5 do 6 V.
Temperaturowy współczynnik napi
ę
cia okre
ś
la stosunek wzgl
ę
dnej zmiany
napi
ę
cia Zenera w funkcji temperatury do warto
ś
ci napi
ę
cia Zenera przy stałym
pr
ą
dzie.
Temperaturowy współczynnik napi
ę
cia oznaczamy
αααα
Uz
i obliczamy go na
podstawie nast
ę
puj
ą
cego wzoru:
αααα
Uz
=
1
U
Z
*
∆
U
Z
∆
T
dla I
Z
= const
We wzorze
∆∆∆∆
T oznacza przyrost temperatury.
Kolejno
ść
post
ę
powania:
1. Rysujemy schemat z rysunku nr 4
2. Deklarujemy ustawienia analizy DC Sweep: V1 od -6 do 0 z krokiem co
0.01.
3. Klikamy przycisk Nested Sweep.... Pojawia si
ę
okienko DC Nested
Sweep.
Zaznaczamy w nim:
•
w polu Swept Var. Type: Temperature
•
w polu Swept Type: Linear i wpisujemy : Start Value: -25; End
Value:75; Increment:50;
4. Zaznaczmy: Enable Nested Sweep i klikamy OK.
5. Uruchamiamy symulacj
ę
.
6.1 Wyznaczanie temperaturowego współczynnika napi
ę
cia diody Zenera
Kolejno
ść
post
ę
powania:
1. Na otrzymanej charakterystyce w programie Probe zmieniamy
skal
ę
napi
ęć
przy u
ż
yciu polece
ń
Plot
→
Axis Setting
→
X ... i
wpisujemy: -4.9 to –4.6 i klikamy OK.
2. Rysujemy stał
ą
warto
ść
pr
ą
du I = -200mA po wywołaniu
polece
ń
: Trace
→
Add... i wpisaniu w okienku dialogowym; -
200mA
3. Klikamy przeł
ą
cznik Toggle Cursor, a nast
ę
pnie lewym
klawiszem myszy klikamy punkt przeci
ę
cia lewej skrajnej
charakterystyki z prost
ą
I = 200mA, za
ś
prawym klawiszem
klikamy przeci
ę
cie tej prostej z praw
ą
skrajn
ą
charakterystyk
ą
.
4. Z okienka Probe Cursor odczytujemy wyniki: przy praktycznie
stałym pr
ą
dzie zmiana napi
ę
cia powinna wynosi
ć
zaledwie
23 mV.
Zadanie
-
Wyznaczy
ć
temperaturowy współczynnik napi
ę
cia diody Zenera 1N750